Získejte informace o vlastnostech, historii, výrobě a aplikacích
Germanium je vzácný stříbrný kovový polovodič, který se používá v infračervené technologii, optických kabelech a solárních článcích.
Vlastnosti
- Atomový symbol: Ge
- Atomové číslo: 32
- Prvek Kategorie: Metalloid
- Hustota: 5,323 g / cm3
- Bod tání: 938,25 ° C
- Bod varu: 5131 ° F (2833 ° C)
- Mohs tvrdost: 6,0
Charakteristiky
Technicky je germanium klasifikováno jako metaloid nebo polokov . Jedna ze skupiny prvků, které mají vlastnosti kovů i nekovů.
Ve své kovové podobě je germanium stříbrné barvy, tvrdé a křehké.
Mezi jedinečné charakteristiky germánu patří jeho průhlednost vůči infračervenému elektromagnetickému záření (při vlnových délkách 1600-1800 nanometrů), jeho vysokému indexu lomu a jeho nízké optické disperzi.
Metalloid je také v podstatě polovodičový.
Dějiny
Demitri Mendeleev, otec periodické tabulky, předpovídal existenci elementu číslo 32, který nazval ekasilikonem , v roce 1869. O sedmnáct let později chemik Clemens A. Winkler objevil a izoloval prvek ze vzácného minerálního argyroditu (Ag8GeS6). On pojmenoval prvek po své vlasti, v Německu.
Během dvacátých lét, výzkum elektrických vlastností germánia vedl k vývoji vysoce čistého jednokrystalového germania. Jednokrystalické germanium bylo používáno jako rektifikační diody v mikrovlnných radarových přijímačích během druhé světové války.
První komerční aplikace pro germanium přišla po válce po vynálezech tranzistorů John Bardeen, Walter Brattain a William Shockley v laboratořích Bell Labs v prosinci 1947.
V následujících letech nalezly tranzistory obsahující germanium cestu do telefonního přepínače, vojenských počítačů, sluchadel a přenosných radiostanic.
Věci se začaly měnit po roce 1954, kdy Gordon Teal z Texas Instruments vynalezl silikonový tranzistor. Germanium tranzistory měly tendenci k selhání při vysokých teplotách, problém, který by mohl být řešen křemíkem.
Až do roku Teal nikdo nedokázal vyrábět křemík s dostatečně vysokou čistotou nahradit germanium, ale po roce 1954 začal křemík nahradit germanium v elektronických tranzistorech a až do poloviny šedesátých let byly prakticky neexistující tranzistory germania.
Měly by přijít nové žádosti. Úspěch germánia v časných tranzistorech vedl k většímu výzkumu a realizaci germánských infračervených vlastností. Nakonec to mělo za následek, že metaloid je používán jako klíčová součást infračervených (IR) čoček a oken.
První průzkumné vesmírné mise Voyager zahájené v sedmdesátých letech se opíraly o sílu vyráběnou fotovoltaickými články z křemík-germania (SiGe). PVCs na bázi germánie jsou stále rozhodující pro družicové operace.
Vývoj a rozšiřování optických sítí v 90. letech vedly ke zvýšení poptávky po germaniu, který se používá k vytvoření skleněného jádra optických kabelů.
V roce 2000 se vysoce efektivní PVC a světelné diody (LED) závislé na substrátech germania staly velkými spotřebiteli prvku.
Výroba
Stejně jako většina menších kovů se vyrábí germanium jako vedlejší produkt z rafinace základních kovů a nerostuje jako primární materiál.
Germium je nejčastěji vyráběno ze slezinných rud, ale je také známo, že je těženo z popílku (vyráběného z uhelných elektráren) a některých měděných rud.
Bez ohledu na zdroj materiálu se všechny germaniumové koncentráty nejprve čistí pomocí chloračního a destilačního procesu, který produkuje chlorid germanium (GeCl4). Poté se chlorid germanium hydrolyzuje a suší, čímž se získá oxid křemičitý (GeO2). Oxid se pak redukuje vodíkem za vzniku prášku kovového germania.
Prášek germania se odlévá na tyče při teplotách nad 938,25 ° C.
Zušlechťování zón (proces roztavení a chlazení) tyčinky izolují a odstraňují nečistoty a nakonec vytvářejí tyčinky germanium s vysokou čistotou. Komerční germanium kov je často více než 99,999% čistý.
Zrno rafinovaný germanium může být dále pěstován na krystaly, které jsou nakrájeny na tenké části pro použití v polovodičích a optických čočkách.
Celosvětová produkce germánia byla v roce 2011 odhadnuto americkým geologickým průzkumem (USGS) zhruba 120 metrických tun v roce 2011 (obsahuje germanium).
Odhaduje se, že 30% světové produkce germánie je recyklováno ze šrotovných materiálů, jako jsou infračervené čočky v odezvě. Odhaduje se, že 60% germania používaných v IR systémech je nyní recyklováno.
Největší země produkující germanium jsou vedeny Čínou, kde se v roce 2011 vyráběly dvě třetiny celkového germánia. Dalšími významnými výrobci jsou Kanada, Rusko, USA a Belgie.
Hlavní výrobci germánie zahrnují Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co, Umicore a Nanjing Germanium Co.
Aplikace
Podle USGS lze žádosti o germanium rozdělit do 5 skupin (za nimi následuje přibližné procento celkové spotřeby):
- IR optika - 30%
- Optická vlákna - 20%
- Polyethylentereftalát (PET) - 20%
- Elektronické a solární - 15%
- Fosfor, metalurgie a organické látky - 5%
Krystaly germánia jsou pěstovány a tvarovány do čoček a oken pro IR nebo tepelné zobrazovací optické systémy. Asi polovina všech takových systémů, které jsou silně závislé na vojenské poptávce, zahrnuje germanium.
Systémy zahrnují malé ruční a zbraně namontované zařízení, stejně jako vzduchové, pozemní a námořní systémy namontované na vozidle. Bylo vynaloženo úsilí na růst obchodního trhu s infračervenými systémy na bázi germánie, jako například u high-end automobilů, avšak nevojenské aplikace stále představují pouze asi 12% poptávky.
Jako přísada - nebo přísada - se používá chlorid germanium ke zvýšení indexu lomu jádra oxidu křemičitého z optických vláken. Začleněním germánia je možné zabránit ztrátě signálu.
Formy germania se také používají v substrátech k výrobě PVC pro vesmírnou (družici) a pozemní výrobu energie.
Substráty germania tvoří jednu vrstvu v vícevrstvých systémech, které také používají gálium, fosfid indium a arsenid gallia. Takové systémy, známé jako koncentrované fotovoltaiky (CPV), díky použití koncentračních čoček, které zvětšují sluneční světlo před jeho přeměnou na energii, mají vysokou účinnost, ale jsou nákladnější k výrobě než krystalický křemík nebo měď-indium-gallium- diselenidové (CIGS) buňky.
Zhruba 17 metrických tun oxidu germaniumu se používá jako polymerizační katalyzátor při výrobě PET plastů každý rok. PET plast se používá především v nádobách na potraviny, nápoje a kapaliny.
Přes jeho selhání jako tranzistor v padesátých letech, germanium je nyní používáno v tandemu s křemíkem v tranzistorových součástech pro některé mobilní telefony a bezdrátová zařízení. Tranzistory SiGe mají vyšší spínací otáčky a využívají méně energie než technologie založená na křemíku. Jedna konečná aplikace pro čipy SiGe je v automobilových bezpečnostních systémech.
Jiné použití germánu v elektronice zahrnuje fázové paměťové čipy, které nahrazují flash paměť v mnoha elektronických zařízeních kvůli jejich energeticky úsporným výhodám, stejně jako v substrátech používaných při výrobě LED diod.
Zdroje:
USGS. 2010 Ročenka minerálů: Germanium. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Sdružení malých kovů (MMTA). Germanium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
Muzeum CK722. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/